一种基于表面润湿梯度的液滴弹跳方向的控制方法与流程

本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种基于表面润湿梯度的液滴弹跳方向的控制方法。

背景技术：

表观接触角大于150°，滚动角小于10°的仿真超疏水表面在防水、自清洁、流体减阻、防结冰及防腐蚀等领域具有巨大的应用潜力，近年来受到了研究者们的重视。其中，材料表面上的撞击液滴与固体表面的接触行为包括接触时间、弹跳时的能量转化等，被认为是极其重要的，其直接决定了在实际应用条件下，固-液体之间的热量与能量转化程度。

近年来，在减少固液接触时间、提高弹跳中的能量转化的基础上，研究者们还提出了控制超疏水表面上液滴弹跳方向的构想。材料表面上的定向弹跳是指：液滴在撞击表面或发生聚结引发的自弹跳行为时，会优先沿着设计的方向进行运动，这在微流体、控制冷凝液滴、油水分离和大气集水方面具有广泛的应用价值。目前，研究者们大多通过构建表面的润湿梯度来控制液滴的弹跳方向，而润湿梯度表面可分为通过形貌梯度和化学组成梯度的方法来构建。在专利cn106807608a中，发明者以刻蚀法在硅片上构建了形貌梯度，从而达到了控制液滴弹跳方向的目的。然而，这种方法制作相对困难，且基底材料的局限性较大。而在以化学组成梯度调控的润湿梯度材料方面，目前国内还缺乏系统的研究探索，也鲜有相关的文献及专利出现。

因此，本发明将从化学组成梯度制备润湿梯度材料的思路出发，提出一种液滴弹跳方向的控制方法。开展材料表面液滴弹跳的方向控制研究具有重要的理论意义和实践作用，实现液滴弹跳按照预先设计的方向运动，对防结冰、冷凝液滴的收集等研究及实际应用具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种具有防覆冰功能的聚合物基复合材料一体化成型方法，以解决当前技术在制备具有防覆冰功能的复合材料时成本高、步骤多和性能不稳定的问题。

本发明的目的在于提出一种基于表面润湿梯度的液滴弹跳方向的控制方法，可以使液滴从非润湿性高的区域定向弹跳至非润湿性低的区域，促进超疏水表面的工业化尤其是在冷凝液滴控制领域具有重要意义。

本发明提供的一种基于表面润湿梯度的液滴弹跳方向的控制方法，包括以下步骤：

(1)利用线切割将基体材料加工成长方形样品块，并对所述长方形样品块进行抛光、清洗、干燥预处理，得到预处理后样品块；

(2)利用微米结构加工技术在所述预处理后样品块表面构建初级微米级凹凸结构，之后采用纳米结构加工技术在已形成的所述初级微米级凹凸结构上构建一层纳米结构，制备得到具有微纳二级复合结构的样品块；

(3)将所述具有微纳二级复合结构的样品块竖直地置于持续沸腾的含有低表面能物质的乙醇溶液上方进行表面润湿处理；之后将经过表面润湿处理后的样品块放入110-120℃烘箱中干燥2小时，制备得到成品；

(4)在所述成品表面进行液滴撞击实验，所述液滴表现为从非润湿性高的区域定向弹跳至非润湿性低的区域，显示出反弹定向运动特性。

作为一种优选的方案，步骤(1)中所述基体材料为金属材料。

更为优选的是，所述金属材料为钛合金、铝合金、钴基合金、镁合金、不锈钢。

更为优选的是，步骤(1)中所述抛光、清洗、干燥预处理过程为采用金相砂纸或抛光布打磨所述长方形样品块表面，直至肉眼观察没有划痕为止，之后进行机械抛光直至金相显微镜观察没有划痕，之后将抛光的所述长方形样品块清洗、干燥，得到预处理后样品块。

更为优选的是，步骤(2)中所述微米结构加工技术为喷砂法或强酸刻蚀法；所述喷砂法控制压强为0.1～0.5mpa，喷砂时间为5～15s；所述强酸刻蚀法使用的强酸为质量百分比为10～20％的hcl水溶液，刻蚀时间为8～15h。

更为优选的是，步骤(2)中所述纳米结构加工技术为阳极氧化法、水热法或弱酸碱刻蚀法；所述阳极氧化法采用经过所述微米结构加工技术处理后的样品块为阳极，pt片作为阴极，在质量分数为0.5～3％hf水溶液中进行阳极氧化，所述阳极氧化过程控制电压为5-30v，氧化时间为5～35min；所述水热法采用1～3mol/lnaoh水溶液与经过所述微米结构加工技术处理后的样品块进行水热反应，所述水热反应温度为180～240℃，时间为5～24h；所述弱酸碱刻蚀法的工艺过程为将经过所述微米结构加工技术处理后的样品块浸入到质量分数为40～50％的h2so4水溶液中反应1～2小时，之后放入到0.1～0.5mol/l的nahco3稀溶液中浸渍5min，最后放入浓度为1～2m的naoh水溶液中反应10～20h。

另一优选的方案为，步骤(1)中所述基体材料为非金属材料。

更为优选的是，步骤(1)中所述抛光、清洗、干燥预处理过程为利用腊将所述长方形样品块贴在陶瓷盘上，之后将所述长方形样品块加压于旋转的抛光布上，同时加入适量的二氧化硅抛光液，抛光至显微镜观察无划痕，之后将抛光的所述长方形样品块清洗、干燥，得到预处理后样品块；步骤(2)中所述微米结构加工技术为光刻蚀法；步骤(2)中所述纳米结构加工技术为干法等离子刻蚀法。

更为优选的是，步骤(3)中所述低表面能物质为十七氟硅烷或硬脂酸，所述含有低表面能物质的乙醇溶液的浓度为50％～100％，所述含有低表面能物质的乙醇溶液与所述具有微纳二级复合结构的样品块底端之间的距离为1～2cm，所述表面润湿处理时间为0.5～1h。

更为优选的是，步骤(4)中所述液滴撞击实验的控制参数为液滴直径2μl～10μl，撞击速度0.5～2m/s。

本发明的有益之处在于，本发明提供的一种基于表面润湿梯度的液滴弹跳方向的控制方法具有以下优势：

①本发明的一种基于表面润湿梯度的液滴弹跳方向的控制方法操作简便，对基体材料无严格要求，且成本低廉；

②液滴撞击实验中表面动态撞击液滴的接触反弹时间缩短至11.6ms；

③液滴均能够从非润湿性高的区域定向弹跳至非润湿性低的区域，并快速离开成品表面；

④制备的可控制撞击液滴反弹方向的润湿梯度表面对于超疏水表面工业化应用具有重要的实践意义。

附图说明

图1为本发明实施例1中成品表面上的液滴弹跳方向示意图；

图2为本发明实施例1中的制备的微纳二级复合结构的样品块的表面的sem图；

图3为本发明中实施例1中的成品表面液滴撞击实验示意结果图。

图中附图标记的含义：1-超疏水区域，2-疏水区域。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于表面润湿梯度的控制液滴弹跳方向的控制方法，包括以下步骤：

(1)以ti6al4v钛合金为基体材料，利用线切割将基体材料加工成50mm×10mm×1mm大小的样品块，之后采用0～5#金相砂纸打磨样品块表面，直至肉眼观察没有划痕为止，之后进行机械抛光直至金相显微镜观察没有划痕，之后使用丙酮、酒精及蒸馏水超声清洗10min，烘干，得到预处理后样品块，并用酒精储存备用；

(2)利用喷砂法构建初级微米级凹凸结构，喷砂法的具体工艺参数为压强0.5mpa，喷砂时间10s；之后采用经过喷砂法处理后的样品块为阳极，pt片为阴极，在恒温25℃条件下，质量分数为0.5％的hf水溶液中实施阳极氧化处理，氧化电压为70v，氧化时间为2.5h；之后将经过氧化处理后的样品块表面洗净，放置在陶瓷片上进行热处理，以5℃/min速率的升温，在500℃保温3h，然后随炉冷却，获得具有微纳二级复合结构的样品块；

(3)将具有微纳二级复合结构的样品块竖直地置于持续沸腾的质量百分比为50％的fas-17乙醇溶液上方进行表面润湿处理1小时，之后将经过表面润湿处理后的样品块放入120℃烘箱中干燥2小时，制备得到成品；

(4)在依照上述实施步骤制备的成品表面进行液滴撞击实验，结果显示液滴与成品表面的静态接触角为164°，撞击液滴在成品表面的接触反弹时间为11.6ms，液滴从非润湿性高的区域定向弹跳至非润湿性低的区域，偏离角度为7°左右，显示出理想的撞击液滴反弹定向运动特性。

实施例2

一种基于表面润湿梯度的控制液滴弹跳方向的控制方法，包括以下步骤：

(1)以ti6al4v钛合金为基体材料，利用线切割将基体材料加工成60mm×10mm×1mm大小样品块，之后采用0～5#金相砂纸打磨样品块表面，直至肉眼观察没有划痕为止，之后进行机械抛光直至在金相显微镜观察没有划痕，之后使用丙酮、酒精及蒸馏水超声清洗10min，烘干，得到预处理后样品块，并用酒精储存备用；

(2)利用喷砂法构建初级微米级凹凸结构，喷砂法的具体工艺参数为压强0.5mpa，喷砂时间10s；之后将经过喷砂法处理后的样品块置于反应釜内衬中，加入30ml1mol/l的naoh水溶液后拧紧反应釜，将反应釜放入230℃烘箱中反应30h，待反应釜自然冷却至室温后，取出样品块并洗净；之后将样品块放入1mol/l的hcl稀溶液中浸泡30min，取出样品块并洗净；之后将样品块放入马弗炉中进行退火处理，在500℃下保温3h，之后随炉冷却至室温，制备得到具有微纳二级复合结构的样品块；

(3)将具有微纳二级复合结构的样品块竖直地置于持续沸腾的质量百分比为60％的fas-17乙醇溶液上方进行表面润湿处理1小时，之后将经过表面润湿处理后的样品块放入110℃烘箱中干燥2小时，制备得到成品；

(4)在依照上述实施步骤制备的成品表面进行液滴撞击实验，结果显示液滴与成品表面的静态接触角为164°，撞击液滴在成品表面的接触反弹时间为10.2ms，液滴从非润湿性高的区域定向弹跳至非润湿性低的区域，偏离角度为7°左右，显示出理想的撞击液滴反弹定向运动特性。

实施例3

一种基于表面润湿梯度的控制液滴弹跳方向的控制方法，包括以下步骤：

(1)以铝合金为基体金属，利用线切割将基体材料加工成100mm×20mm×1mm大小样品块，之后采用0～5#金相砂纸打磨样品块表面，直至肉眼观察没有划痕为止，之后进行机械抛光直至金相显微镜观察没有划痕，之后使用丙酮、酒精及蒸馏水超声清洗10min，烘干，得到预处理后样品块，并用酒精储存备用；

(2)利用喷砂法构建初级微米级凹凸结构，喷砂法的具体工艺参数为压强0.5mpa，喷砂时间10s；之后采用经过喷砂法处理后的样品块为阳极，pt片为阴极，在恒温25℃条件下，质量分数为0.5％的hf水溶液中实施阳极氧化处理，氧化电压为70v，氧化时间为2.5h；之后将经过氧化处理后的样品块表面洗净，放置在陶瓷片上进行热处理，以6℃/min速率的升温，在500℃保温3h，然后随炉冷却，获得具有微纳二级复合结构的样品块；

(3)将具有微纳二级复合结构的样品块竖直地置于持续沸腾的质量百分比为70％的fas-17乙醇溶液上方进行表面润湿处理1小时，之后将经过表面润湿处理后的样品块放入120℃烘箱中干燥2小时，制备得到成品；

(4)在依照上述实施步骤制备的成品表面进行液滴撞击实验，结果显示液滴与成品表面的静态接触角为163°，撞击液滴在成品表面的接触反弹时间为11.8ms，液滴从非润湿性高的区域定向弹跳至非润湿性低的区域，偏离角度为6°左右，显示出理想的撞击液滴反弹定向运动特性。

实施例4

一种基于表面润湿梯度的控制液滴弹跳方向的控制方法，包括以下步骤：

(1)以铝合金为基体金属，利用线切割将基体材料加工成150mm×10mm×1mm大小样品块，之后采用0～5#金相砂纸打磨样品块表面，直至肉眼观察没有划痕为止，之后进行机械抛光直至在金相显微镜观察没有划痕，之后使用丙酮、酒精及蒸馏水超声清洗10min，烘干，得到预处理后样品块，并用酒精储存备用；

(2)利用喷砂法构建初级微米级凹凸结构，喷砂法的具体工艺参数为压强0.5mpa，喷砂时间10s；之后将经过喷砂法处理后的样品块浸入到质量分数为40％的h2so4水溶液中，在65℃条件下反应1h后，之后放入到0.1mol/l的nahco3稀溶液中浸渍5min去除试样表面残留的酸溶液，最后放入到放入浓度为1.5m的naoh水溶液中反应20h，获得具有微纳二级复合结构的样品块；

(3)将具有微纳二级复合结构的样品块竖直地置于持续沸腾的质量百分比为80％的fas-17乙醇溶液上方进行表面润湿处理1小时，之后将经过表面润湿处理后的样品块放入120℃烘箱中干燥2小时，制备得到成品；

(4)在依照上述实施步骤制备的成品表面进行液滴撞击实验，结果显示液滴与成品表面的静态接触角为163°，撞击液滴在成品表面的接触反弹时间为11.2ms，液滴从非润湿性高的区域定向弹跳至非润湿性低的区域，偏离角度为6°左右，显示出理想的撞击液滴反弹定向运动特性。

实施例5

一种基于表面润湿梯度的控制液滴弹跳方向的控制方法，包括以下步骤：

(1)以厚度为600μm单晶硅片为基体材料，将其切割成100mm×20mm×600μm大小的长方形样品块，利用腊将所述长方形样品块贴在陶瓷盘上，之后将所述长方形样品块加压于旋转的抛光布上，同时加入适量的二氧化硅抛光液，抛光至显微镜观察无划痕，得到预处理后样品块；

(2)利用光刻蚀的方法在预处理后样品块表面构建初级微米级凹凸结构，具体方法为，首先制作出方形区域大小为30μm×30μm，中心间距为50μm的掩模板，之后通过显影技术将掩模板上的规则阵列图形转移到硅片表面，其中显影过程采用su-8光刻胶、旋涂厚度为7μm、曝光时间为30s；之后利用干法等离子刻蚀技术在光刻蚀法处理后的样品块表面进行矩阵阵列结构的精确加工，加工深度为20μm，最后利用丙酮将光刻胶洗净，获得具有微纳二级复合结构的样品块；

(3)将具有微纳二级复合结构的样品块竖直地置于持续沸腾的质量百分比为90％的fas-17乙醇溶液上方进行表面润湿处理1小时，之后将经过表面润湿处理后的样品块放入120℃烘箱中干燥2小时，制备得到成品；

(4)在依照上述实施步骤制备的成品表面进行液滴撞击实验，结果显示液滴与成品表面的静态接触角为163°，撞击液滴在成品表面的接触反弹时间为10.7ms，液滴从非润湿性高的区域定向弹跳至非润湿性低的区域，偏离角度为6°左右，显示出理想的撞击液滴反弹定向运动特性。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。